Giáo trình Máy điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG

GIÁO TRÌNH

MÁY ĐIỆN
NGHỀ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
Trình độ trung cấp/cao đẳng
(Ban hành theo Quyết định số: 568/QĐ-CĐN ngày 21 tháng 5 năm 2018
của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang)

Năm 2018


LỜI GIỚI THIỆU TÀI LIỆU
Máy điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng
lượng, điều khiển, xử lý tín hiệu. Năng lượng điện ngày nay trở nên rất cần thiết
và đóng vai trị vô cùng quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người.
Với chương trình mơn học 60 tiết, cuốn giáo trình này cung cấp cho học sinh
sinh viên những hiểu biết cơ bản nhất về máy điện. Vì những điều cơ bản cho
nên nhiều chỗ có tính chất tóm lược. Trong nội dung được trình bày có phần lý
thuyết chung có phần bài tập nhưng lồng vào đó những kinh nghiệm, những bài
học rút ra từ thực tế.
Trong quá trình biên soạn bản thân đã cố gắng rút gọn, cô đọng các vấn đề và
đưa vào một số mẫu bài tập, xác định những hư hỏng cụ thể cho phù hợp với
trình độ học sinh sinh viên và hình thức đào tạo của trường.
Giáo trình Máy điện này được biên soạn nhằm cung cấp cho học sinh sinh
viên các ngành chuyên ngành điện các kiến thức xoay quanh các vấn đề chính
như sau:
BÀI 1 - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

BÀI 2 - MÁY BIẾN ÁP
BÀI 3 - MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
BÀI 4 - MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
BÀI 5 - MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Kèm theo mỗi chương, có một số bài tập áp dụng phần lý thuyết đã học, giúp
học sinh sinh viên rèn luyện kỹ năng tính tốn máy điện.
Mỗi cán bộ giáo viên phải có những kiến thức nhất định về máy điện để nâng
cao sự hiểu biết chung và phục vụ tốt cho chuyên ngành của mình.
Khi biên soạn giáo trỉnh này chúng tơi đã được sự ủng hộ của Ban Giám
Hiệu đặc biệt là tổ bộ môn và sự giúp đỡ của đồng nghiệp.
Hiện nay giáo trình tham khảo về máy điện có nhiều nhưng mỗi giáo trình đó
phải thích hợp cho từng đơn vị và từng cấp học.
Vì trình độ chun mơn và kinh nghiệm có hạn nên việc biên soạn giáo trình
này khơng gặp ít khiếm khuyết. Chúng tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của q thầy cơ cùng các học sinh sinh viên.
Xin chân thành cám ơn.
An Giang, ngày 15 tháng 03 năm 2018
Tham gia biên soạn
Chủ biên
Trần Đức Anh


MỤC LỤC
GIỚI THIỆU TÀI LIỆU
BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
I. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
II. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY ĐIỆN
IV. SƠ LƯỢC VỀ CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
V. PHÁT NÓNG & LÀM MÁT MÁY ĐIỆN

Câu hỏi ôn tập :
BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP
I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
II. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP
III. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
IV. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
V. MÔ HÌNH TỐN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP
VI. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
VII. TỔN HAO & HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP
VIII. MÁY BIẾN ÁP BA PHA
IX. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG
X. CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT
XI. CÁC SỰ CỐ THƠNG THƯỜNG XẢY RA TRONG MÁY BIẾN ÁP
Câu hỏi ơn tập :
Bài tập máy biến áp :
BÀI 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
IV. MƠ HÌNH TỐN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐCĐKĐB 3 PHA
V. MÔMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
VI. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
VII. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
VIII. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA
IX. XÁC ĐỊNH CỰC TÍNH ĐCĐKĐB 3 PHA
X. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP Ở ĐCĐKĐB 1 PHA
XI. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP Ở ĐCĐKĐB 3 PHA
Câu hỏi ôn tập :
Bài tập động cơ điện không đồng bộ:
BÀI 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
IV. CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
V. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
VI. ĐỘNG CƠ VÀ MÁY BÙ ĐỒNG BỘ
Câu hỏi ôn tập :

Trang
1
4
5
7
7
9
9
10
13
13
17
19
22
28
29
32
35
39
40
40
47

49
53
55
59
62
65
67
71
71
73
74
74
78
79
81
81
82
85
87


BÀI 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
IV. TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
V. CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ, MÔMEN ĐIỆN TỪ
VI. TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
VII. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
VII. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Câu hỏi ôn tập :
Bài tập máy điện một chiều

88
89
91
93
94
95
96
99
102
102


BÀI 1
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
Mục tiêu của bài:
Phát biếu về sự khác nhau của các loại máy điện hiện đang hoạt động theo cấu tạo
theo nguyên tắc hoạt động, theo loại dịng điện . . .
Giải thích q trình phát nóng và làm mát của máy điện đang hoạt động, theo
nguyên tắc định luật về điện.
I. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng
điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ. Các định luật này đã được trình bày
trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy
điện.
1. Định luật lực điện từ
Lực điện từ có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, và là cơ sở để chế tạo máy điện, khí
cụ điện. Thực nghiệm chứng tỏ rằng đặt một dây dẫn thẳng có dịng điện vng góc với

đường sức của từ trường đều, sẽ xuất hiện lực điện từ tác dụng lên dây dẫn xác định như
sau:
+ Trị số lực tỉ lệ với cường độ từ cảm, chiều dài dây
dẫn đặt trong từ trường (gọi là chiều dài tác dụng) và
cường độ dòng điện.
F = B.l.i
(1-1)
Ở đây:
F: lực điện từ (N).
l: chiều dài tác dụng (m).
B: cường độ từ cảm (T).
i: cường độ dòng điện (A).
+ Phương và chiều lực điện từ xác định theo quy tắc
bàn tay trái (hình 1-1); ngửa bàn tay trái cho đường sức
từ (hoặc véctơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, chiều
bốn ngón tay duỗi thẳng theo chiều dịng điện thì ngón
tay cái duỗi ra chỉ chiều lực điện từ.
Trường hợp dây dẫn khơng đặt vng góc mà lệch nhau một góc ≠ 900 thì trị số lực
F được xác định bởi công thức:
F = B.l.i.sin
(1-2)
2. Định luật cảm ứng điện từ
Năm 1831, nhà vật lý học người Anh là Michel Faraday phát hiện ra hiện tượng
cảm ứng điện từ, một hiện tượng cơ bản của kỹ thuật điện. Nội dung của hiện tượng đó
là: khi từ thơng biến thiên bao giờ cũng kèm theo sự xuất hiện một sức điện động, gọi
là sức điện động cảm ứng.
a) Trường hợp từ thơng biến thiên xun qua vịng dây
Năm 1833, nhà vật lý học người Nga là Lenx đã phát hiện ra quy luật về chiều sức
điện động cảm ứng và do đó định luật cảm ứng điện từ được phát biểu như sau: khi từ
thông Φ biến thiên xuyên qua một vòng dây, sẽ làm xuất hiện một sức điện động gọi là

sức điện động cảm ứng trong vòng dây. Sức điện động này có chiều sao cho dịng điện
do nó sinh ra tạo thành từ thơng có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thơng đã sinh ra
nó.
4


Định luật này có thể viết dưới dạng phương trình Maxwell:
dΦ
e=(1-3)
dt
Dấu  trên hình (1-2) chỉ chiều của Φ đi từ ngồi vào trong.
Nếu cuộn dây có W vịng, sức điện động cảm ứng của cuộn
dây là:
e = -W

dΦ
dΨ
=dt
dt

(1-4)

Trong đó:  = WΦ gọi là từ thơng móc vịng của cuộn dây. Đơn vị của từ thông là
Webe (Wb), sức điện động là votl (V).
b) Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường
Hình vẽ (1-3) biểu diễn một thanh dẫn chuyển động trong từ trường của một nam
châm vĩnh cửu.
Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với các đường sức của
từ trường đều B với vận tốc v, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức
điện động e và có trị số:

e = B.l.v
(1-5)
Trong đó:
B: cường độ từ cảm (T).
l: chiều dài hiệu dung của thanh dẫn (m).
v: vận tốc thanh dẫn (m/s).
Chiều dài của sức điện động cảm ứng được xác định theo
quy tắc bàn tay phải (hình 1-3); ngửa bàn tay phải cho đường
sức từ (hoặc véctơ từ cảm B) xun qua lịng bàn tay, ngón tay
cái duỗi thẳng ra vng góc theo chiều quay của thanh dẫn, thì chiều bốn ngón tay
duỗi thẳng ra chỉ chiều sức điện động e.
II. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN
1. Định nghĩa máy điện
Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện
từ. Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn), dùng để
biến đổi năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến
đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi thông số điện như
biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha,…
Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các ngành kinh tế như công nghiệp, giao
thông vận tải,... và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình.
2. Phân loại máy điện
Dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng máy điện được phân loại thành hai loại
chính sau:
a) Máy điện tĩnh

5


Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ
thông trong các cuộn dây khơng có sự chuyển động tương đối với nhau. Thường dùng

để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều thành
điện áp xoay chiều có giá trị khác,… và được phân loại như sau:
- Theo công dụng:
+ Máy biến áp điện lực: Dùng trong truyền tải phân phối điện năng.
+ Máy biến áp đo lường: Dùng trong kĩ thuật đo lường.
+ Máy biến áp hàn: Dùng trong kĩ thuật hàn.
+ Máy biến áp âm tần, cao tần: Dùng trong kĩ thuật điện tử.
+ Máy biến áp lò: Dùng trong các lò luyện kim.
- Theo số pha:
+ Máy biến áp một pha.
+ Máy biến áp 3 pha.
b) Máy điện quay
Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường
và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra. Loại máy
điện này thường dùng để biến đổi dạng năng lượng, ví dụ biến đổi cơ năng thành điện
năng (máy phát điện) hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện). Q trình
biến đổi có tính chất thuận nghịch. Máy điện quay được phân loại như sau:
- Máy điện xoay chiều:
+ Máy điện không đồng bộ (MKĐB): động cơ không đồng bộ (ĐKĐB); máy phát
không đồng bộ (MFKĐB).
+ Máy điện đồng bộ (MĐB): động cơ đồng bộ (ĐĐB); máy phát đồng bộ
(MFĐB).
- Máy điện một chiều:
+ Động cơ một chiều (ĐMC).
+ Máy phát một chiều (MFMC).

Hình 1-5. Sơ đồ phân loại máy điện.
6

III. NGUN LÝ LÀM VIỆC MÁY ĐIỆN
Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa là nó có thể làm việc ở chế độ máy phát điện
hoặc động cơ điện.
1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện
Cho cơ năng của động cơ sơ cấp vào thanh dẫn một lực cơ học F cơ thanh dẫn sẽ
chuyển động với tốc độ trong từ trường của nam châm N-S trong thanh dẫn sẽ cảm
ứng sức điện động e. Nếu nối vào 2 cực của thanh dẫn điện trở R tải, sẽ có dịng điện i
chạy trong thanh dẫn cung cấp điện cho tải. Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn, điện áp
đặt vào tải u = e. Công suất điện của máy phát cung cấp cho tải là:
p = ui = ei
(1-6)
Dòng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng
của một lực điện từ Fđt = B.l.i có chiều như như hình
vẽ 1-6.
Khi máy quay với tốc độ khơng đổi lực điện từ sẽ
cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp: Fcơ = Fđt, máy
sẽ quay đều.
Nhân hai vế của biểu thức trên với tốc độ v ta có:
Fcơ.v = Fđt.v = B.i.l.v = e.i
(1-7)
Điều này có nghĩa là, công suất cơ của động cơ sơ
cấp Pcơ =Fcơ.v đã được biến đổi thành công suất điện
Pđ = e.i, tức là cơ năng biến thành điện năng ở máy phát điện.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện
Cung cấp điện cho máy phát điện, điện áp u của
nguồn điện sẽ gây ra dòng điện i chạy trong thanh
dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ
Fđt = B.l.i tác dụng lên thanh dẫn chuyển động với
tốc độ v có chiều như hình 1-7.
Như vậy cơng suất điện Pđ = u.i đưa vào động cơ

đã được biến thành công suất cơ Pcơ = Fđt.v trên trục
động cơ. Điện năng đã biến đổi thành cơ năng.
3. Tính thuận nghịch của máy điện.
Qua các mục (1) và (2) ta nhận thấy, cùng một thiết bị điện từ (thanh dẫn đặt
trong từ trường nam châm N-S), tùy theo năng lượng đưa vào (cơ năng hay điện năng)
mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hay động cơ điện. Đây chính là
tính thuận nghịch của máy điện. Mọi loại máy điện đều có tính thuận nghịch.
IV. SƠ LƯỢC VỀ CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
Vật liệu chế tạo máy điện gồm: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện,
vật liệu kết cấu.
1. Vật liệu dẫn điện.
Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện:
- Vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện tốt nhất là đồng, vì chúng khơng đắt lắm
và có điện trở suất nhỏ. Ngồi ra cịn dùng nhơm và các hợp kim khác như đồng thau,
đồng phốt pho.
- Đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc, hoặc vành trượt, ngồi
đồng, nhơm người ta cịn dùng cả các hợp kim của đồng hoặc nhơm, hoặc có chỗ cịn
dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu.
7


2. Vật liệu dẫn từ.
Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ:
- Ở đoạn mạch từ có từ thơng biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ
thuật điện dày 0,35  0,5 mm.
- Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1  0,2 mm.
- Thép lá kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội.
- Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc
thép lá.
3. Vật liệu cách điện.

- Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện, hoặc
cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau.
- Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho
phép của dây và do đó quyết định tải của nó.
- Nếu tính năng chất cách điện cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của
máy giảm.
- Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm:
+ Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa.
+ Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh.
+ Các chất tổng hợp.
+ Các loại men, sơn cách điện.
Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy
điện có điện áp cao. Thơng thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi,…
Chúng có độ bên cơ học tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém.
Căn cứ vào độ bền cơ nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại cấp các điện
sau:
Cấp
Nhiệt độ giới hạn
Nhiệt độ trung
cách
Vật liệu
cho phép vật liệu bình cho phép dây
điện
(0C)
quấn (0C)
Bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp
Y
không qua tẩm sấy hoặc sơn cách
90
85

điện
Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm trong
A
105
100
vật liện cơ lỏng.
E
Vài loại màng tổng hợp.
120
115
Amiăng, sợi thủy tinh có chất kết
B
130
120
dính và vật liệu gốc mica.
Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi thủy
F
tinh có chất kết dính và tẩm tổng
155
140
hợp.
Vật liệu gốc mica, amiăng, sợi thủy
H
tinh phối hợp chất kết dính và tẩm
180
165
silic hữu cơ.
Vật liệu gốc mica, thủy tinh và các
C
hợp chất của chúng dùng trực tiếp

> 180
không có chất liên kết
Ngồi ra cịn có chất cách điện ở thể khí (khơng khí, hydro) hoặc thể lỏng (dầu
máy biến áp).
8


4. Vật liệu kết cấu.
Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục,
ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá,
thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo.
V. PHÁT NÓNG & LÀM MÁT MÁY ĐIỆN
Trong q trình làm việc có tổn hao cơng suất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn
hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dịng điện xốy) trong thép, tổn hao đồng trong điện
trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao đều biến thành
nhiệt năng làm nóng máy điện.
Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Sự
tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào
sự đối lưu của khơng khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu biến
áp,... Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống
quạt gió để làm mát.
Kích thước của máy, phương pháp làm mát, phải được tính tốn và lựa chọn để cho
độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép,
đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài khoảng 20 năm.
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không
vượt quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt q nhiệt độ
cho phép, vì thế khơng cho phép q tải lâu dài.
Câu hỏi ơn tập :
1. Giải thích ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong máy điện?
2. Giải thích ứng dụng của định luật lực điện từ trong máy điện?

3. Định nghĩa máy điện? Cách phân loại máy điện?
4. Giải thích nguyên lý thuận nghịch của máy điện?
5. Các vật liệu chế tạo máy điện là gì?

9


BÀI 2
MÁY BIẾN ÁP
Mục tiêu của bài:
Mô tả cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha và máy biến
áp ba pha.
Xác định cực tính và đấu dây vận hành máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha
Đấu máy biến áp vận hành song song với các máy biến áp.
Tính tốn thơng số của máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha đúng kỹ thuật
Chọn lựa máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa máy
biến áp theo yêu cầu.
I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp,
hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ta dùng máy biến áp.
Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi, nên có những loại máy
biến áp khác nhau: máy biến áp 1 pha, ba pha nhưng chúng dựa trên cùng một nguyên
lý đó là định luật cảm ứng điện từ.
1. Định nghóa
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tónh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện
từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn có giữ
nguyên tần số.
Hệ thống điện đầu vào máy biến áp ( trước lúc biến đổi) có: điện áp U 1, dòng
điện I1, tần số f. hệ thống đầu ra của máy biến áp ( sau khi biến đổi) có: điện áp
U2, dòng điện I2 và tần số f. Trong các bản vẽ , máy biến áp được ký hiệu như hình.

Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp. Đầu ra nối
với tải gọi là thứ cấp. Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ
số 1: số vòng dây sơ cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ
cấp P1. Các đại lượng và thông số thứ cấp chỉ số 2: vòng dây thứ cấp w 2, điện áp
thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2.
Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp là máy biến áp tăng áp. Nếu điện
áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp.
2. Vai trò và công dụng máy biến áp
Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có đường dẫn
truyền tải điện như hình vẽ sau :

Hình 2-1. Sơ đồ cung cấp điện đơn giản.
10


Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất điện các hộ tiêu thụ điện lớn , một vấn đề đặt
ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất
Ta có dòng điện truyền tải trên đường dây : I =

P
(2.1)
U  COS

Và tổn hao công suất trên đường dây :
2



Rd  P 2

P
P = Rd .  I = Rd  
=
(2.2)

(U 2  COS 2 )
 U  COS 
2

Từ công thức trên cho ta thấy , cùng một công suất truyền tải trên đường dây ,
nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây càng bé , do đó
trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống , tiết kiệm được kim loại màu , đồng
thời tổn hao năng lượng sẽ giảm xuống trên đường dây .
Vì thế muốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu
người ta phải dùng điện áp cao thường là 35 , 110 , 220 , 500 kV . Trên thực tế máy
phát điện ra từ 3  21 kV , do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây .
Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4  6 kV , vì vậy cuối
đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống . Thiết bị tăng điện áp ở đầu đường
dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp
Máy biến áp có vai trò quan trọng hệ thống điện , dùng để truyền tải và phân
phối điện năng .
Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng trong các thiết bị lò nung (máy biến áp
lò); trong hàn điện (máy biến áp hàn); làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử cần
nhiều cấp điện áp khác nhau; trong lónh vực đo lường (máy biến điện áp, máy biến
dòng)
3. Các loại máy biến áp chính
Máy biến áp điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện
lực .
Máy biến áp chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim , các thiết bị chỉnh lưu , máy
biến áp hàn . . .

Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao
Máy biến áp tự ngẫu dùng để mở máy động cơ không đồng bộ công suất tương
đối lớn .
Máy biến áp đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các
dụng cụ đo tiêu chuẩn .

11


Hình 2-2. Các loại máy biến áp
12


II. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP
Caùc đại lượng của máy biến áp do xưởng chế tạo máy biến áp quy định để cho
máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất .
1. Điện áp định mức :
Điện áp sơ cấp định mức ký hiệu U1đm là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp
, điện áp thứ cấp định mức ký hiệu U2đm là điện áp quy định cho dây quấn thứ cấp ,
khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức .
Người ta quy ước , với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha ,
với máy biến áp 3 pha là điện áp dây .
2. Dòng điện định mức :
Dòng điện định mức là dòng điện quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp ,
ứng với công suất định mức và điện áp định mức , dòng điện sơ cấp định mức ký
hiệu I1đm , dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu I2đm .
Người ta quy ước với máy biến áp một pha , dòng điện định mức là dòng điện
pha , với máy biến áp ba pha , dòng điện định mức là dòng điện dây .
3. Công suất biểu kiến định mức
Đối với máy biến áp một pha là : S dm = U 2 dm .I 2 dm = U 1dm .I 1dm (2.3)

Đối với máy biến áp ba là : S dm = 3.U 2 dm .I 2 dm = 3.U 1dm .I 1dm (2.4)
Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm , số pha , sơ đồ nối dây,
điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc . . .
III. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây:
+ Lõi thép.
+ Dây quấn.
+ Vỏ máy.

Hình 2-3. Cấu tạo máy biến áp

13


1. Lõi thép máy biến áp

Hình 2-4. 1). Trụ từ; 2). Gông từ.
Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng chính của máy, được tạo từ những vật
liệu dẫn từ tốt, thường là các lá thép kỹ thuật điện (tấm thép kỹ thuật dày từ 0,35 mm
đến 0,5 mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau. Lõi thép dùng làm mạch dẫn
từ, đồng thời làm khung để quấn dây.
Lõi thép gồm hai phần trụ (T) và gơng (G). Trụ là phần lõi thép có dây quấn, gông
là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín và khơng có dây quấn. Theo
sự sắp xếp tương đối giữa trụ, gông và dây quấn, lõi thép chia làm hai loại: kiểu trụ và
kiểu bọc .

Hình 2-5. 1). Kiểu trụ; 2). Kiêủ bọc.
Lõi thép kiểu bọc (hình vẽ sau): mạch từ được phân nhánh ra làm hai bên và bọc
lấy một phần dây quấn, loại này chỉ dùng trong một vài ngành chuyên môn đặc biệt
như máy biến áp trong lõi điện luyện kim hay máy biến áp một pha công suất nhỏ

dùng trong kỹ thuật vô tuyến điện, truyền thanh . . . Ưu điểm loại này là cuộn sơ cấp
và thứ cấp đều đặt trên một trụ, mạch từ đối xứng, hệ số từ cảm lớn. Song có nhược
điểm là chế tạo phức tạp cả phần lõi sắt và dây quấn, các lá tơn silic nhiều loại, kích
thước khác nhau chủ yếu ứng dụng chế tạo cho các máy biến áp lò điện có điều chỉnh
điện áp bằng bán dẫn.
14


Lõi thép kiểu trụ (hình vẽ sau): dây quấn ơm lấy trụ sắt, gơng từ chỉ giáp phía trên
và phía dưới dây quấn mà khơng bao lấy mặt ngồi của dây quấn, trụ sắt thường để
đứng.
Ngồi ra cịn có thể loại trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc gọi là kiểu trụ - bọc
Các lá thép kỹ thuật điện thường được sử dụng có dạng hình chữ E , U , I
2. Dây quấn máy biến áp

Hình 2-6. 1). Mạch từ chữ U, I;
2). Mạch từ E, I

Hình 2-7. 1). Mạch từ máy biến áp 1 pha;
2). Mạch từ máy biến áp 3 pha
Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu nhận năng lượng vào và truyền năng
lượng đi. Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhơm, có tiết
diện hay chữ nhật, bên ngồi dây dẫn có bọc cách điện
Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ của lõi thép . Giữa các vòng dây
, giữa các dây quấn và lõi thép đều cách điện .
Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn . Khi dây quấn nhận điện áp
vào gọi là sơ cấp và dây quấn đưa điện áp ra được nối với tải gọi là thứ cấp
Thường trong máy biến áp có một cuộn sơ cấp , nhưng cũng có thể có một hay
nhiều cuộn thứ cấp .
Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn sơ cấp đặt sát trụ từ còn

các dây quấn thứ cấp đặt lồng ra bên ngoài .
Theo phương pháp bố trí dây quấn trên lõi thép có thể chia dây quấn máy biến áp
thành hai kiểu chính.
Dây quấn đồng tâm: tiết diện ngang là những hình trịn đồng tâm và có các kiểu
dây quấn hình trụ, dây quấn xoắn, dây quấn xoắn ốc liên tục.
Dây quấn xen kẽ: cuộn cao áp và cuộn hạ áp được quấn thành từng bánh cùng
chiều cao thấp và quấn xen kẽ, do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch
15


Hình 2-8. Các dạng dây quấn
3. Vỏ máy biến áp
Vỏ máy biến áp làm bằng gang , thép tấm gồm hai bộ phận : thùng và nắp
thùng. Vỏ máy để bảo vệ lõi thép, dây quấn và dùng để bắt các sứ vào ra. Với vỏ máy
có cơng suất lớn thì vỏ máy có tác dụng chứa dầu làm mát máy, tăng cường cách điện
cho máy.
Vỏ máy làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng máy và nắp máy.

Hình 2-9. Máy biến áp dầu ba pha.
1. Móc vịng chuyển; 2. Sứ cao áp; 4. Sứ trung áp; 5. Sứ hạ áp; 7. Ống phịng nổ;
8.Bình giãn dầu; 10. Thước chỉ dầu; 12. Xà ép gơng; 13. Bình hút ẩm;
16. Dây quấn cao áp; 18. Bộ lộc đối lưu; 22. Vỏ thùng; 23. Bộ tản nhiệt;
24. Cáp cấp điện cho động cơ; 25. Động cơ quạt gió làm mát;
26. Bộ truyền động chuyển mạch.
16


- Thùng MBA: Trong thùng máy biến áp (hình 2-9) đặt lõi thép, dây quấn và dầu
biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt. Lúc máy biến
áp làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi

thép và các bộ phận khác nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ
phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh.
- Nắp thùng MBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng
như:
+ Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp, làm nhiệm vụ cách điện.
+ Bình giãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu.
+ Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối
với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh. Nếu vì lý do nào đó, áp xuất dầu trong
thùng tăng lên đột ngột, đĩa thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thốt ra ngồi để MBA khơng
bị hỏng.
+ Rơle dùng để bảo vệ MBA.
+ Lỗ nhỏ để đặt nhiệt kế.
+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp dây quấn cao áp.
Ở mỗi máy biến áp, sau khi chế tạo xong, người ta đều có ghi các thông số của
máy trên biển máy. Như điện áp sơ cấp và thứ cấp định mức : U1đm , U2đm ; dòng
điện sơ cấp và thứ cấp định mức : I1đm , I2đm ; dung lượng định mức Sđm đó là công
suất toàn phần mà máy có thể cung cấp.
IV. NGUN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
Khảo sát máy biến áp một pha hai dây quấn như hình vẽ sau : dây quấn sơ cấp
có W1 vòng dây , dây quấn thứ cấp có W2 vòng dây

Hình 2-10. Sơ đồ nguyên lý của mba
một pha hai dây quấn.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy
biến áp biến đổi điện áp của lưới điện xoay chiều U1 thành điện áp U2 cho tải. Thơng
thường máy biến áp có hai cuộn dây. Cuộn dây nối với lưới điện được gọi là sơ cấp,
cuộn nối với tải gọi là cuộn thứ cấp
Khi nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều sẽ có dòng điện sơ cấp
chạy dây quấn sơ cấp . Dòng điện sơ cấp sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi
thép , từ thông này móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi

là từ thông chính .
17


Khi máy biến áp không tải , dây quấn thứ cấp hở mạch , dòng điện thứ cấp
I2 = 0 từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I0 sinh ra .
Khi máy biến áp có tải , dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở tải , dưới tác
động của sức điện động thứ cấp , có dòng điện thứ cấp , cung cấp điện cho tải . Khi
ấy từ thông chính do đồng thời cả hai dòng điện sơ cấp và thứ cấp sinh ra
Giả sử , biểu thức của từ thông xoay chiều trong mạch từ là :
 =  max .sin (.t ) (2.5)
Vì từ thông biến thiên nên theo định luật cảm ứng điện từ , các sức điện động e 1
, e2 được xác định :
d


e1 = −W1.
= E1. 2.sin  .t −  (V ) (2.6)
dt
2

d


e2 = −W2 .
= E2 . 2.sin  .t −  (V )
dt
2


(2.7)

Với:
E1 = 4, 44. f . max .W1
E2 = 4, 44. f . max .W2

(2.8)
(2.9)

max = Bmax  S
(2.10)
Trong đó:
W1 : là số vòng của dây quấn sơ cấp (vịng)
W2 : là số vòng của dây quấn thứ cấp (vịng)
max : từ thông cực đại ( Wb )
Bmax : cường độ từ cảm ( Wb/m2 )
S : tiết diện ( m2 )
Nếu ta chia sức điện động sơ cấp cho thứ cấp ta có tỷ số biến áp
k=

E1 W1
(2.11) gọi k là hệ số biến áp
=
E2 W2

Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp thì (E1  U1 ;E2  U2) thì
ta được:
k=

E1 W1 U 1

=
=
(2.12)
E 2 W2 U 2

k > 1 gọi là MBA giảm áp
k < 1 gọi là MBA tăng áp
Như vậy:
- Về nguyên tắc có thể biến đổi điện áp U1 thành điện áp U2 (chỉ cần thay đổi số
vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp).
- Dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện nhưng
nhờ có từ thông chính , năng lượng truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp .
Vì hiệu suất máy biến áp thường cao , nên một cách gần đúng có thể xem công
suất máy biến áp nhận vào phía sơ cấp bằng công suất đưa ra phía thứ cấp
(U1.I1 = U2.I2 ) k =

E1
E2

=

W1
W2

=

U1
U2

=

I2
I1
18

(2.13)


V. MƠ HÌNH TỐN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP
1. Q trình điện từ trong máy điện.
Ngồi từ thơng chính  chạy trong lõi thép như đã nói ở trên, trong máy biến áp
cịn có từ thơng tản. Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà chạy tản ra trong
khơng khí, các vật liệu cách điện.
Từ thông tản khép mạch qua các vật
liệu không sắt từ, có độ dẫn từ kém, do đó
từ thơng tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ
thơng chính. Từ thơng tản chỉ móc vịng
riêng rẽ với mỗi dây quấn.
Từ thơng tản móc vịng sơ cấp ký hiệu
là ψt1 do dịng điện sơ cấp i1 gây ra. Từ
thơng tản móc vịng thứ cấp ký hiệu là ψt2
do dòng điện sơ cấp i2 gây ra. Từ thông tản
được đặt trưng bằng điện cảm tản.
Điện cảm tản dây quấn sơ cấp, thứ cấp L1, L2:
ψ
ψ
L1 = t1 ; L2 = t2
i1
i2
2. Phương trình điện áp phía sơ cấp.

Xét mạch điện sơ cấp (hình 2-12), gồm điện áp u1, sức điện động e1, điện trở dây
quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1. Áp dụng định luật Kirchoff 2 ta có phương
trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời:
di
R1i1 + L1 1 = u1 + e1
dt
di
Suy ra u1 = R1i1 + L1 1 - e1 (2-14)
dt
Phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng số
phức:
•

•

•

•

•

U1 = R1 I1 + jωL1 I1 = R1 I1 + jX1 I1
•

•

•

(2-15)

U1 =Z1 I1 - E1
Trong đó:
Z1 = R1 + jX1 là tổng trở phức dây quấn sơ cấp.
X1 = ωL1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp.
3. Phương trình điện áp phía thứ cấp.
Mạch điện thứ cấp (hình 2-8), gồm sức điện động e2, tổng trở dây quấn thứ cấp R2,
điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2, tổng trở tải
Zt. Áp dụng định luật Kirchoff 2 ta có phương
trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng trị số tức
thời:
di
R 2i 2 + L 2 2 = e 2 - u 2
dt
di
Suy ra; u 2 = e2 - R 2i 2 - L2 2 (2-16)
dt

19


Phương trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng số phức:
•
•
•
•
•
•
•
•
•

•
U 2 = E 2 - R 2 I 2 - jωL2 I 2 = E 2 - R 2 I 2 - jX 2 I 2 ; U 2 = E 2 - Z2 I 2
(2-17)
Trong đó:
Z2 = R 2 + jX 2 là tổng trở phức dây quấn thứ cấp.
X 2 = ωL 2 là điện kháng tản dây quấn thứ cấp.
4. Phương trình cân bằng sức từ động.
•
•
•
Trong phương trình điện áp phía sơ cấp U1 = Z1 I1 - E1 , điện áp rơi trên dây quấn
•
•
•
Z1 I1 thường rất nhỏ, nên có thể gần đúng U1  - E1 và về trị số cũng vậy U1 = E1.
Vì điện áp đặt vào biến áp U1 không đổi nên E1 = 4,44fW1Φmax cũng không đổi.
Ở chế độ khơng tải (I2 = 0), dịng điện sơ cấp lúc này là dịng khơng tải I0 nên sức
từ động sơ cấp là i0W1 sinh ra từ thơng chính.
Khi máy biến áp mang tải (I2 ≠ 0), lúc này sức từ động của máy là i1W1 + i2W2 sinh
ra từ thơng chính của máy.
Vì điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1 không đổi, cho nên sức điện động E1
khơng đổi và từ thơng chính Фmax sẽ khơng đổi, dẫn đến sức từ động không tải bằng
sức từ động lúc có tải. Do đó ta có phương trình sức từ động dưới dạng tức thời như
sau:
i 0 W1 = i1W1 + i 2 W2
(2-18)
Chia cả hai vế phương trình (2-18) cho W1 ta có:
W
i
1

i 0 = i1 + i 2 2 = i1 + i 2
= i1 + 2 = i1 +i'2
(2-19)
W1
W1
k
W2
Trong đó:
W
k = 1 là hệ số biến áp.
W2
i
i '2 = 2 là dòng điện thứ cấp đã quy đổi về sơ cấp.
k
•
•
•
Phương trình sức từ động dưới dạng số phức là: I1 = I0 - I '2
(2-20)
Hệ ba phương trình (2-15), (2-17), (2-20) là hệ phương trình cân bằng điện áp và từ
của máy biến áp viết dưới dạng phức.
5. Sơ đồ thay thế máy biến áp.
Từ hệ ba phương trình:
•
•
•
U1 = Z1 I1 - E1
(2-21)
•
•

•
U 2 = E 2 - Z2 I 2
(2-22)
•
•
•
I1 = I0 - I '2
(2-23)
Ta xây dựng được mơ hình mạch, đó là sơ đồ điện gọi là mạch (hay sơ đồ) thay
thế, phản ánh đầy đủ quá trình năng lượng trong máy biến áp, thuận lợi cho việc phân
tích nghiên cứu máy biến áp.
Để xây dựng sơ đồ thay thế, trước hết cần thực hiện một số biến đổi toán học.
a) Quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp.
Do hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp liên hệ với nhau qua mạch từ, cho nên muốn
xây dựng được mạch điện thay thế, ta phải thực hiện phép quy đổi từ phía thứ cấp về
sơ cấp.
20


Nhân hai vế của phương trình (2-22) với k, sẽ có:
•

•

•

•

•

I2
k U 2 = k E 2 - kZ2 I 2 = k E 2 - k Z2
k
Đặt
•

•

2

•

(2-24)

E '2 = k E 2 = E1
•

•

U '2 = k U 2

(2-25)

Z'2 = k 2 Z2  R '2 = k 2 R 2 ; X '2 = k 2 X 2

(2-26)

•

•

I2
k
Phương trình (2-22) sẽ là:
I '2 =
•

•

(2-27)

•

(2-28)
U’2 gọi là phương trình điện áp thứ cấp quy đổi về sơ cấp.
Hệ ba phương trình cân bằng điện áp và từ của máy biến áp lúc này là:
•
•
•
U1 = Z1 I1 - E1
(2-29)
•
•
•
U '2 = E1 - Z'2 I '2
(2-30)
U '2 = E1 - Z'2 I '2

•

•

•

(2-31)
Điều kiện để thực hiện việc quy đổi là năng lượng trước và sau khi quy đổi trong
máy biến áp phải không đổi.
I1 = I0 - I '2

Ví dụ: E '2 I'2 = kE 2

I2
= E 2 I2
k

b). Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp.
Trong phương trình (2-29), Z1I1 là điện áp rơi trên tổng trở dây quấn Z1 và (-E1)
chính là điện áp rơi trên tổng trở Zth đặc trưng cho từ thơng chính và tổn hao sắt từ. Vì
từ thơng chính do dịng điện khơng tải I0 sinh ra nên ta có thể viết:
•
•
•
- E1 = (R th + jX th ) I0 = Zth I0
(2-32)
Với
Zth = (R th + jX th ) là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ.
Rth là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ.
ΔPst = R th I02

Xth là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thơng chính Φ.

Thay (2-32) vào hệ các phương trình (2-29), (2-30), (2-31) ta được:
•
•
•
U1 = Z1 I1 - Zth I0
(2-33)
•
•
•
U '2 = Z1 I0 - Z'2 I '2
(2-34)
•

•

•

(2-35)
Theo định luật kirchoff 1 và 2 thì hệ ba phương trình này chính là viết cho đoạn
mạch có 2 nút và 3 nhánh (hoặc 2 vịng) như hình 2-14
Thơng thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn, dịng điện I0 nhỏ, do đó có thể bỏ
nhánh từ hóa và có thể thay thế sơ đồ gần đúng (hay còn gọi là đơn giản) của máy biến
áp như hình 2-15.
R n =R1 +R '2 là điện trở ngắn mạch của máy biến áp.
X n =X1 +X '2 là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp.
I1 = I0 - I '2

21

Hình 2-14. Sơ đồ thay thế máy biến áp.
Hình 2-15. Mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp.
VI. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
1. Chế độ khơng tải của máy biến áp.
a) Phương trình chế độ không tải của máy biến áp.
+ Chế độ không tải của máy biến áp là trạng thái cuộn sơ cấp được nối vào 1 điện
áp xoay chiều U1, cuộn thứ cấp để hở mạch, như vậy dòng điện thứ cấp bằng 0
(I2 = 0), lúc này dòng điện sơ cấp gọi là dịng điện khơng tải I0.
+ Phương trình cân bằng điện áp là:
•
•
•
•
•
U1 = I0 Z1 - E1 = I0 (Z1 +Zth ) = Z0 I 0
(2-36)
Với Z0 = (Z1 + Z th ) là tổng trở máy biến áp không
tải.
Sơ đồ thay thế máy biến áp không tải như hình 215.
Từ phương trình (2-36) ta tính được dịng điện
khơng tải I0:
U
U1
I0 = 1 =
Z0
(R1 +R th ) 2 +(X1 +X th )2
Tổng trở Z0 = (R1 + R th ) 2 + (X1 + X th )2 thường
rất lớn do vậy dịng điện khơng tải chỉ nhỏ bằng khoảng 2%  10% dòng điện định
mức I1đm.
Ở chế độ khơng tải, cơng suất đưa ra phía thứ cấp bằng không, nhưng máy vẫn

tiêu hao một công suất P0 do tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp ΔPR1 (tổn hao đồng
trên dây quấn sơ cấp lúc không tải) và tổn hao sắt từ ΔPst. Vì dịng I0 nhỏ nên gần đúng
có thể coi:
ΔPst = P0
(2-37)
Khi khơng tải, công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với cơng suất tác
dụng P0, vì vậy hệ số cơng suất lúc khơng tải rất thấp.
R0
P0
cosφ =
=
= 0,1÷0,3 (2-38)
2
2
2
2
R 0 +X 0
P0 +Q0
Vì vậy, khi sử dụng khơng nên để máy biến áp chạy khơng tải hoặc non tải.
b) Thí nghiệm không tải của máy biến áp.
Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ và các thơng số khơng tải của máy, ta
tiến hành thí nghiệm khơng tải như hình 2-16.
Khác với chế độ khơng tải, ở thí nghiệm khơng tải, đặt điện áp định mức (U1đm)
và dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch. Các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau:

22


Hình 2-16. Sơ đồ thí nghiệm khơng tải máy biến áp một pha.
Đồng hồ A là ampe kế chỉ dòng khơng tải I0;

W là ốt kế chỉ cơng suất khơng tải P0 = ΔPst;
V1 là vôn kế để đo U1đm;
V2 là vơn kế để đo U20.
Từ thí nghiệm, ta được:
W
E
U
+ Hệ số biến áp k: k = 1 = 1 = 1
W2
E2
U 20
I
+ Dịng điện khơng tải %: I0 % = 0 100% = 3 ÷ 10%
I1đm
P
+ Điện trở khơng tải: R 0 = 20
(2-39)
I0
R0 = R1 + Rth, vì Rth >> R1 nên gần đúng: Rth = R0
(2-40)
U
+ Tổng trở không tải: Z0 = 1đm (2-41) Gần đúng:
Zth = Z0
(2-42)
I0
+ Điện kháng không tải: X 0 = Z02 - R 02 (2-43) Gần đúng: Zth = Z0 (2-44)
P0
= 0,1 ÷ 0,3
+ Hệ số công suất không tải: cosφ =
(2-45)

U1đm I0
2. Chế độ ngắn mạch của máy biến áp.
a) Phương trình chế độ ngắn mạch của máy biến áp.
Chế độ ngắn mạch máy biến áp là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt, sơ cấp đặt
vào một điện áp U1 như hình 2-17. Trong vận hành, nhiều nguyên nhân làm máy biến
áp bị ngắn mạch như hai dây dẫn phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối
với nhau bằng tổng trở đất rất nhỏ. Đó là tình trạng ngắn
mạch sự cố, cần tránh.
Khi máy biến áp ngắn mạch U2 = 0, mạch điện thay
•

thế máy biến áp như hình 2-17. Dịng điện sơ cấp I1 lúc
•

này gọi là dịng điện ngắn mạch I n .
Phương trình điện áp máy biến áp ngắn mạch:
•
•
•
U1 = I n (Z1 +Z'2 ) = I n Zn
(2-46)
Trong đó:
Zn =(Z1 +Z'2 )=(R n +R '2 )+(X n +X '2 )

Zn =R n +jX n

Rn = R1 + R’2 là điện trở ngắn mạch máy biến áp.
Xn = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch máy biến áp.
23

U1đm

+ Dòng điện ngắn mạch là: In =

=

U1đm
Zn

(2-47)
(R1 +R '2 ) 2 +(X1 +X '2 ) 2
Vì Zn là tổng trở ngắn mạch rất nhỏ, cho nên dòng điện ngắn mạch thường rất lớn
bằng 10  25 lần dòng định mức Iđm. Điều này rất nguy hiểm với các máy biến áp đang
vận hành và ảnh hưởng đến các phụ tải dùng điện. Để tránh điều này người ta phải
dùng các máy tự động cắt mạch ở cả hai phía khi bị sự cố ngắn mạch, quá tải,…
b. Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp.
Để xác định tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp, và xác định các
thông số sơ cấp và thứ cấp, ta tiến hành thí nghiệm ngắn mạch như hình 2-18.

Hình 2-18. Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch.
Các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau:
A1 là ampe kế đo dịng In = I1đm;
W là ốt kế chỉ cơng suất ngắn mạch Pn;
A2 là ampe kế đo dòng thứ cấp I2;
V là vôn kế để đo Un.
Khác với chế độ ngắn mạch, ở thí nghiệm ngắn mạch, dây quấn thứ cấp được nối
ngắn mạch, dây quấn sơ cấp không phải đặt điện áp U1 như bình thường mà nối với bộ
điều chỉnh điện áp. Nhờ bộ điều chỉnh điện áp ta có thể điều chỉnh điện áp đưa vào dây
quấn sơ cấp sao cho dòng điện trong dây quấn sơ cấp bằng dòng điện định mức (I 1 =

Iđm). Điện áp đó ký hiệu là Un gọi là điện áp ngắn mạch, thường được tính theo phần
trăm của điện áp sơ cấp định mức U1đm.
Un
Un % =
100% = 3 ÷ 10%
(2-48)
U1đm
Lúc ngắn mạch điện áp thứ cấp U2 = 0 do đó điện áp ngắn mạch Un là điện áp rơi
trên tổng trở dây quấn. Vì điện áp ngắn mạch nhỏ, từ thơng Φ sẽ nhỏ, có thể bỏ qua
tổn hao sắt từ. Do vậy công suất đo được ở thí nghiệm ngắn mạch P n chính là tổn hao
trong điện trở 2 dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Từ đó ta tính được các thơng số dây quấn
trong sơ đồ thay thế.
U
+ Tổng trở ngắn mạch: Zn = n
(2-49)
I1đm
P
+ Điện trở ngắn mạch: R n = 2 n
(2-50)
I1đm
+ Điện kháng ngắn mạch: X n = Z2n - R 2n
(2-51)
Từ các thơng số xác định bằng thí nghiệm ngắn mạch, ta có thể tính các thơng số
của máy bằng các công thức gần đúng sau:
R
X
R1  R '2 = n
X1  X '2 = n
(2-52)
(2-53)

2
2
24